基于Unity构建机器人的数字孪生平台系列2—四旋翼无人机三维模型

系列2的主要内容是探讨如何自己构建一个模型并且导入Unity。

1 简介

3D仿真与其他类型仿真的一大区别是三维场景和三维模型。为了实现对某个对象的仿真，模型是必须的。当然，针对不同的仿真任务，需要描述对象也是不一样的。但是，一个可视化的三维模型是必须的。比如，通过三维模型观测无人机的运行情况，当前的姿态信息等待。Unity是一个游戏引擎，其运行是依赖脚本的生命周期，侧重在于特定功能（人物行走、环境探测）的实现，而在三维模型构建方面相对较弱。不过可以利用所提供的渲染引擎直接生成模型的点、面、法线等，进而实现动态的模型构建。但是这对于使用者而言，需要熟悉整个渲染管线、模型渲染过程。这无疑增加模型构建的难度，而且在实际中，我们需要构建的物体模型大多数是静态的。这里的静态指的是模型的形状规格、表面材质。而模型的动作、行为，我们可以利用脚本编程实现。比如，我们可以利用Rotate()实现螺旋桨的旋转。利用专业的建模软件去构建指定对象的模型，之后导入Unity是一个比较好的选择。在这里，展示了利用Maya软件构建无人机的基本模型并且导入Unity。

2 相关资料

• 利用Maya构建四旋翼无人机模型B站教程：https://www.bilibili.com/video/BV1rE411n7Ws?spm_id_from=333.337.search-card.all.click
  这个教程非常详细，每一步都具体讲解，包括一个基本四旋翼无人机的模型组成，每部分如何拆分并且对于对称部分如何进行构建，这些都详细的讲解。非常好的是对Maya提供的各个工具的作用做了说明，什么样的需求需要用什么工具。
  
  
• 一种可选的方法是去Unity的商店（Asset Store）下载无人机的模型。如下图的一个包，这个包有无人机的模型，并且有现成的工程可供参考。（https://assetstore.unity.com/packages/tools/physics/free-pack-117641）
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  下面是我导入这个包，打开的一个demo运行效果如下
  当然最好的方法还是跟着B站的视频过一遍，这样就可以自定义自己的模型。

3 Maya基本操作介绍

下面简单介绍Maya软件的基本操作，包括创建一个规则物体，并且通过点、线、面操作进行模型形状的修改，最好介绍如何渲染模型。

3.1 界面介绍

我这里使用的是Maya2017版本，打开后的界面是

基本的模型操作工具（平移、旋转、选择等）是在左边的小栏中

渲染相关的工具，比如灯光、材质、贴图等。

中间一大块就是建模的区域

在“创建”这个工具栏，我们能够创建一些基本的物体，主要用到是多边形基本体。一个完整的无人机模型是通过这些多边形基本组合而来。

在“修改”这个工具栏，经常用到的工具是冻结变换。主要是将子物体的坐标系居中，方面旋转和平移。

在“网格”工具栏，主要是拼接两个模型。比如将机臂和机身拼接在一起。也可以从大模型中分离出一些小模型。

在“网格工具”这一部分，“插入循环边”是比较重要，这在模型塑型方面发挥很大作用，比如一些具有特定特征的边缘的构建。

需要更精细化的模型，就需要用到曲线、曲面、UV等工具，但对于无人机仿真，以上工具足够完成一个三维模型的构建。

3.2 基本操作

• 创建一个立方体
  
  
  默认的模型大小时111，具体的单位可以在“窗口”的“设置/首选项”中。

• 移动模型，选择左边的移动工具，用鼠标拖着坐标系的箭头就可以。
  
• 旋转模型，旋转左边的旋转，通过鼠标操作小球中三条曲线就可以实现模型的旋转。
  
• 拉伸模型，选择拉伸工具，用鼠标操作三个点，拖动就可以实现对模型的拉伸。
  
• 点操作，选择模型后，点击有鼠标键就会弹出选择模型元素的界面，这里选择顶点，就可以对模型的定点进行操作。
  
  选中想要操作的顶点后，就选择操作工具，这里选择移动，对定点的位置进行移动。
  
• 线操作，这里选择一条边，对边进行拉伸。
  
• 面操作，这里选择一个面，对面进行拉伸。
  
• 结合，复制一个，将两个结合在一起。
  
  通过桥接工具，连接两个模型
  
• 分割
  通过分离工具在大模型上减掉小模型
  
  通过填充工具，将切割后的洞补齐
  
  选择插入循环边工具。在原有的模型上插入可操作的边
  
  
• 渲染，三维模型的外观是通过渲染实现的，这里我选择几种材质展示。对于模型的渲染，我们也可以在Unity中进行，Unity提供了渲染的材质和shader脚本。通过选择模型之后，再选择材质就可以。
  
  
  
  这些只是简单的渲染，更复杂的渲染可以进入Hypershade窗口。

4 导入模型进Unity

在Maya构建好模型后，我们选中模型，然后点击文件，发送到Unity，选择Unity的工程路径，备注模型的名字，确定后，模型就导入Unity。Unity中模型文件是fbx格式，当前Maya文件也支持，但是在没有Maya软件的系统中是不能正常显示模型。因为Unity会调用Maya解析模型。所以最好的方法是导出为fbx格式。


在Unity新建一个场景，把模型拉到Scene窗口，就可以显示模型。

5 Unity中操作模型

同样在Unity中，我们也能操作模型的移动、旋转、拉伸等。

• 这个手掌的选型时移动场景，有时移动模型不方面，可以移动场景进行解决。

• 模型平移
  Unity和Maya都是左手坐标系，y轴是上下，x轴是左右，z轴是前后。
  
• 模型旋转
  旋转是绕着坐标的中心转，所以要实现物体绕着自身旋转，比如无人机的螺旋桨，就需要将模型的坐标中心放在模型的中心。我们可以旋转Pivot去查看模型的中心在哪里。知道模型的中心后，我们需要将模型的坐标原点放到中心位置且是Center模式下。下面两张图，第一张是Center模式，第二张是Pivot模式。
  
  
  如何将坐标系移到模型的中心，方法有两种：一种是在Maya软件中冻结坐标系和移动坐标原点，如下图。“d”是快捷键，通过鼠标移动箭头就可移动坐标原点。这种方法就是需要在模型工程上修改。
  
  第二种方法是在Unity软件上修改。为什么会出现这种问题？本质上就是坐标组件的位置问题。所以，如果将抛弃这个组件，添加新的组件就可以解决了。在Unity中，我们新建一个空物体，并且将空物体的坐标移动到物体的中心，接着将物体的模型整体移动到新建的空物体中，这样坐标中心就回到物体的中心，如下图所示。
  
• 模型渲染
  在Unity中，各个功能是以组件的形式存在。通过直接将Material（材质）拖动对象的模型，就可以实现修改对象的外观。
  
  
  以上就是整个模型构建及导入Unity的所有过程。

6 四旋翼无人机模型

在系列中给出的开源仓库中，我已经将无人机的相关模型上传，放在3D_Model文件夹

另外，也可以导入通过无人机拍摄图片重建出来的模型，下图是导入重建部分环境的地图。如果我们能够对物理环境进行1:1的还原，那么我们可以在虚拟环境中控制物理的无人机。